高速列車車體輕量化層狀復合結構隔聲設計

伏　蓉,張　捷,姚　丹,肖新標,金學松

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031）

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高速列車車體輕量化層狀復合結構隔聲設計

伏蓉1,2,張捷1,姚丹1,肖新標1,2,金學松1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031）

摘要：隨著高速列車車體結構輕量化的發展，層狀復合結構車體在高速列車上得到廣泛應用，提高層狀復合結構的隔聲性能，是高速列車減振降噪的關鍵技術?；趥鬟f矩陣法，建立“鋁板+多孔材料層+空氣層+碳纖維增強板”的典型高速列車層狀復合結構車體隔聲計算分析模型，并分析多孔材料和空氣層對層狀復合結構車體隔聲性能的影響。結果顯示，混響聲場激勵下，在鋁板和碳纖維增強版之間僅增加空氣層只能提高車體結構高頻隔聲量，低頻部分會由于“板-空氣-板”的系統耦合共振，形成顯著吻合谷，導致其隔聲性能在吻合谷頻率處大幅下降。對此，利用多孔材料吸聲原理，提出在空氣層中增加吸聲材料層，抑制隔聲吻合低谷，通過優化設計，得出“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強板”的優化結構形式，在實現車體輕量化目標同時，可有效提高其隔聲性能。

關鍵詞：聲學；高速列車；輕量化；層狀復合結構；隔聲；多孔材料；空氣層

節能環保是現代高速列車的主要發展方向，這分別對車體輕量化和高速列車減振降噪性能提出了更高的要求。

但隨著列車運行速度的提高，噪聲問題逐漸凸顯，并已成為制約高速列車持續快速發展的關鍵因素。而車體輕量化可能會降低其隔聲性能，使車內噪聲增加，與高速列車減振降噪背道而馳。

層狀復合結構具有輕質、高比強度、高比剛度、耐候性好和可設計性強等優點，在航天航空、船舶海洋、軌道交通和公路汽車等工程領域中有廣泛的應用[1–4]。對層狀復合結構減振降噪性能的研究，尤其是在輕量化目標下的結構優化和材料選材，是目前研究的熱點。

對層狀復合結構聲學性能計算分析的方法有有限元法、解析法、波阻抗法、傳遞矩陣法、聲電類比法等。其中，傳遞矩陣法[5](Transfer Matrix Method)因其物理概念清晰、推導直觀和建模方便等優點，被許多學者所廣泛采用。

艾海峰等[1]針對多層均質層狀復合結構，推導了其隔聲特性計算分析的傳遞矩陣，研究了面板厚度、芯板厚度、芯板彈性和剪切損耗因子對復合板整體投射系數的影響；萬翾等[2]考慮了層狀復合結構中，板材的正交各向異性特性，推導了正交各向異性復合材料層合板隔聲特性計算分析的傳遞矩陣，研究了層合板鋪設角度、板厚和板密度對層合板隔聲特性的影響；孫加平[3]針對不同三明治夾芯板材料和結構，研究了表層材質、厚度和蜂窩夾層密度不同時，夾芯板結構隔聲量的變化規律。

但對于高速列車車體層狀復合結構，在車身和車廂內壁板之間往往包含有空氣間隙和吸聲特性良好的防寒材，屬于典型的“均質材料層1（車身板材）+均質材料層2（空氣層）+多孔吸聲材料層3（防寒材）+均質材料層4（空氣層）+正交各向異性材料層5（內飾結構）”結構，至今對其隔聲特性的相關研究較少。

因此，本文將采用傳遞矩陣法，根據Biot關于多孔彈性介質的聲傳播理論，基于數值仿真，計算分析多孔材料和空氣層的加入對層狀復合結構隔聲性能的影響，為高速列車車體層狀復合結構輕量化和低噪聲設計提供參考依據，更好地改善車內聲環境。

1　傳遞矩陣法

1.1典型單層介質的傳遞矩陣

圖1給出了典型單層介質中的聲傳播平面圖，有限介質平行于xy平面放置，聲波在xz平面傳播。A點和B點分別為有限介質中前后表面上的點，設A點的z方向坐標值為0，B點的z方向坐標值為h。每一層中的聲傳播傳遞矩陣可以用式（1）表示，同時可等效成式（2）[5]

圖1　單層介質中的聲傳播

1.1.1流體介質

當聲波經空氣入射，需穿過的有限介質為流體時，其傳遞矩陣Tf為[5]

其中ρ是流體介質的密度，kz是流體波數在z方向的分量。

1.1.2固體介質

當聲波經空氣入射，需穿過的有限介質為彈性固體時，其傳遞矩陣Ts的等效矩陣Γs() z為[5]

1.1.3正交各向異性介質

當聲波經空氣入射，需穿過的有限介質為正交各向異性材料時，其傳遞矩陣To的等效矩陣[ Γo(z)]

為[2]

1.1.4多孔吸聲材料介質

當聲波經空氣入射，需穿過的有限介質為多孔

吸聲材料時，其傳遞矩陣TP的等效矩陣為[5]

1.2多層層狀復合結構隔聲量

圖2給出了多層層狀復合結構中的聲傳播平面圖，A點和B點分別為半空間無限介質邊界表面上的點，M1、M2、……、M2n分別為各層有限介質前后表面上的點。

圖2　多層層狀復合結構中的聲傳播

當層狀復合結構末端為半無限空氣時，該結構與半無限流體層之間的連續條件可寫為[5]

其中是接口矩陣，取決于第n層結構的材料屬性。在B點處的流體阻抗為

透射系數t和反射系數r存在以下關系

基于混響聲場激勵，可以得到層狀復合結構的隔聲量為

其中τ()

θ是關于給定入射角θ的透射系數，變化范圍從θmin到θmax。

2　模型驗證

基于傳遞矩陣法，應用ESI Nova分析軟件，參考文獻[6]典型算例，建立“板+粘彈性材料+板”計算模型，各層材料參數與幾何尺寸見表1。

表1　層狀復合結構材料參數與幾何尺寸

圖3給出了在混響聲場激勵下（入射角變化范圍為0～85°），5 000 Hz～12 000 Hz頻率范圍內隔聲量仿真結果與試驗結果的對比圖[6]。

圖3　模型驗證

圖3結果表明，仿真與試驗結果吻合較好，傳遞矩陣法可有效計算層狀復合結構隔聲特性。

3　層狀復合結構隔聲特性分析

輕量化設計前提下，高速列車典型車體層狀復合結構如圖4所示，屬于典型的“車身鋁材（均質層1）+空氣層（均質層2）+吸聲材料（多孔材料層3）+空氣層（均質層4）+內飾結構（正交各向異性層5）”多層結構。

為了解高速列車車體輕量化層狀結構隔聲特性，以“車身鋁材+內飾壁板（CFRP）”為基礎設計結構，計算分析吸聲材料、空氣層及其組合方式對層狀復合結構隔聲特性的影響。

車身鋁材密度為2 742 kg/m3，楊氏模量為69.0 GPa，泊松比為0.33，結構損耗因子為0.007；CFRP內飾壁板是正交各向異性材料，楊氏模量為Ex=Ey= 60.0 GPa、Ez=8.0 GPa，泊松比為Pxy=0.3、Pxz=Pyz= 0.05，熱膨脹系數為Ax=Ay=5×10-7/kdeg、Az=2.8×10-5/ kdeg，密度為1 550 kg/m3；三聚氰胺吸聲材料的密度為8.8 kg/m3，楊氏模量為80.0 kPa，泊松比為0.4，結構損耗因子為0.17，孔隙率為0.99，曲率為1.02，流阻為10.9 kPa·s/m2，特征熱效長度為0.13 mm，特征黏性長度為0.1 mm；空氣聲速為342.2 m/s，密度為1.213 kg/m3。分析頻率為100 Hz～4 000 Hz，計算步長為10 Hz。

圖4　高速列車車體層狀復合結構

3.1空氣層影響

首先，考慮輕量化設計最典型的雙層墻結構（Double Wall），即“車身鋁材+空氣層+內飾壁板”。圖5給出了層狀復合結構隔聲特性隨空氣層厚度變化的結果。圖中，AL表示車身鋁材，Air表示空氣層，CFRP表示內飾壁板，其前面數字代表材料層厚度。

圖5　空氣層厚度不同時的隔聲量

由圖5可見：由于雙層墻結構會存在典型的“板-空氣-板”系統共振，引起共振頻率處出現較大隔聲谷值；且在1 860 Hz附近板結構產生吻合效應，聲波無阻礙地透過板而輻射至另一側，達到隔聲量的最低值，僅17 dB左右，空氣層的存在只起到了提高結構高頻隔聲特性的作用，不能滿足車體層狀復合結構的設計要求；而對設置了空氣層后，層合結構隔聲量隨空氣層厚度的增加而增加。

上述系統共振頻率可由式（11）計算得到[7]其中Ka=ρ0c2/[l(cosθ)2]是等效彈簧剛度，θ是入射聲波與板法線的夾角，l是兩板之間空氣層的厚度，M1、M2分別是板的面密度。

從式（11）可以看出，當平面波入射角度越大，共振頻率也越高。則當聲波垂直入射時，可得到1 mm、3 mm、5 mm空氣層所對應的最低共振頻率分別為1 584.7 Hz、914.9 Hz、708.7 Hz。

3.2多孔材料層影響

圖6給出了多孔材料的吸聲原理示意圖，孔隙間的黏滯力作用可將聲波通過內部空氣和結構的摩擦轉換成熱或其它可以損耗的能量[8]，同時吸聲材料的阻尼作用還可以抑制層狀復合結構的振動，特別是在共振頻率處的振幅[9]，從而達到耗散能量、提高結構隔聲性能的效果。

圖6　多孔材料吸聲原理

因此，根據多孔材料吸聲原理，在雙層墻結構中增加吸聲材料層，考察層狀復合結構的隔聲特性隨多孔材料層厚度變化的結果，見圖7。圖中，M表示多孔材料層。

圖7　多孔材料厚度不同時的隔聲量

從圖7可知，第一個共振隔聲低谷隨著多孔材料厚度的增加向低頻偏移，這是因為中間層材料厚度的增加使其等效剛度降低所致；第二個吻合谷較之前得到了明顯抑制，最低值提高了15 dB～19 dB；吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值約為50 dB，較之前提高了15 dB左右；總的來說，填充多孔材料層可以有效地提高層狀復合結構的隔聲量，且隨著多孔材料厚度的增加，隔聲量也隨之增加。

3.3多孔材料與空氣層組合方式的影響

在上述結論的基礎上，對層合結構進一步優化，考察吸聲材料與空氣層以何種方式組合最有利于層狀復合結構隔聲量的提高，充分實現高速列車的輕量化設計。圖8中，多孔材料與空氣層總厚度保持不變，通過調整二者各自的厚薄，研究其對層狀復合結構隔聲特性的影響。

圖8　多孔材料與空氣層組合厚度不同時的隔聲量

由圖8可見：由多孔材料和空氣層組合而成的層狀復合結構隔聲量，在2 500 Hz以下中低頻段得到了有效的提高，但在高頻部分的效果差強人意，且多孔材料層越厚，結構隔聲量越大；第一個共振隔聲低谷均在200 Hz左右，谷值不明顯；第二個吻合谷值和吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值均在“7 mm鋁板+45 mm吸聲材料+1 mm碳纖維增強板”的基礎上又提高了5 dB～7 dB?？偟膩碚f，多孔材料和空氣層組合的方式可以使層狀復合結構隔聲性能得到較大提升，同時，這種組合方式可以減輕結構的總體重量，達到預期輕量化低噪聲的設計目的。

圖9給出的是多孔材料和空氣層層數和位置關系改變時，結構隔聲量曲線的變化情況。此時，每一種材料的厚度均保持不變，多孔材料或空氣層等分后，改變了二者的位置關系。

圖9　多孔材料與空氣層組合方式不同時的隔聲量

由圖9可見：無論是將多孔材料還是空氣層等分，第一個共振隔聲低谷和第二個吻合谷均沒有明顯的改變，但在500 Hz～1 700 Hz頻段內結構隔聲量有顯著提高，達到約61 dB；另外，將多孔材料層等分后置于空氣層兩側的方式，雖在1 700 Hz以下頻段隔聲量曲線最大，但僅比將空氣層等分后置于多孔材料層兩側的方式大1 dB左右，而在1 700 Hz以上頻段卻要小3 dB～5 dB。因此，目前可以得出混響聲場激勵下，“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強板”的優化結構形式可在實現車體輕量化目標的同時，有效提高其隔聲性能。

4結　語

基于傳遞矩陣法，建立了“鋁板+多孔材料層+空氣層+碳纖維增強板”的典型高速列車層狀復合結構車體隔聲計算分析模型，分析了多孔材料和空氣層對層狀復合結構車體隔聲性能的影響，結果表明：

（1）在鋁板和碳纖維增強板之間僅增加空氣層只能提高車體結構高頻隔聲量，低頻部分會由于“板-空氣-板”的系統耦合共振，形成較大隔聲谷值，且在1 860 Hz附近板結構產生吻合效應，導致其隔聲性能在吻合谷頻率處大幅下降，達到隔聲量的最低值，僅17 dB左右，不能滿足車體層狀復合結構的設計要求；

（2）利用多孔材料吸聲原理，提出在空氣層中增加吸聲材料層，可以有效地提高層狀復合結構的隔聲量，同時第一個共振隔聲低谷向低頻偏移，谷值變得不明顯，第二個吻合谷較之前雙層墻結構得到了明顯抑制，隔聲量提高了24 dB～26 dB?？偟膩碚f，多孔材料和空氣層組合的方式可以使層狀復合結構隔聲性能得到較大提升，并減輕結構的總體重量，達到預期輕量化低噪聲的設計目的；

（3）通過優化設計，得出“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強板”的優化結構形式，吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值可達到約61 dB，進一步提升了結構的低頻隔聲性能，同時實現了車體輕量化的目標。

參考文獻：

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力國家重點實驗室自主研究課題（2015TPL_T08）

前從事高速列車噪聲與振動控制研究。E-mail:swjtu_furong@163.com

E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn

中圖分類號：O42 2；TB535+.1

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.010

文章編號：1006-1355(2016)01-0048-05

收稿日期：2015-07-19

基金項目：國家自然科學基金（U1434201，51475390）；牽引動

作者簡介：伏蓉（1992-），女，吉林公主嶺人，碩士研究生，目

通訊作者：肖新標，男，副教授，碩士生導師。

Study on Sound Insulation and Lightening Design of Layered Composite Structures for High-speed Trains

FURong1,2,ZHANGJie1,YAODan1, XIAO Xin-biao1,2,JIN Xue-song1

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technology of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:The layered composite structure is widely used for the weight reduction in high-speed trains.Improving the sound insulation properties of the composite structure is the key technology for vibration and noise reduction of high-speed trains.In this paper,based on the transfer matrix method,a model of typical composite structure made of aluminum plate, porous material layer,air layer and carbon-fiber reinforced plate for high-speed trains was established.Influence of the property of the air layer and the porous material on the sound insulation performance of the composite structure was analyzed by numerical calculations.The results show that the air layer between the aluminum panel and the carbon fiber reinforced polymer panel can hardly improve the sound insulation property of the composite structure in the lower frequency band under a diffusing field excitation.Instead,the transmission loss curves have acoustic valleys at some specific frequencies because of the cavity resonance.But adding a porous material layer in the air layer can suppress the acoustic valleys according to the principle of sound absorption of porous materials.Through the optimization design,the optimized structure form of“aluminum panel+air layer+porous material layer+air layer+CFRP panel”was obtained.It can improve the sound insulation performance effectively as well as reduce the weight of the structure of vehicles.

Key words:acoustics;high-speed train;lightweight design;composite structure;sound transmission loss;porous material;air layer